CC BY
11
УДК 631.432
Эффективность регулирования водного режима выработанных торфяников путем шлюзования каналов
Уланов Николай Анатольевич, аспирант
ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров, Россия
E-mail: [email protected]
Существует несколько принципиально различных способов регулирования водного режима в агроэкосистемах. Среди них орошение, т.е. подача воды сверху, либо подъем грунтовых вод снизу в зону расположения корневой системы. Преимущество гидроморфных почв, в том числе и выработанных торфяников, заключается в непосредственной близости к верхней части профиля слабоминерализованного водоносного горизонта. Это обстоятельство значительно упрощает проблему оптимизации водного питания выработок по второму сценарию. Цель - изучение технической возможности управления водным режимом выработанных торфяников с помощью шлюзов-регуляторов. В качестве перекрывающего сбросные и грунтовые воды механизма применялся стальной полупроницаемый шлюз в виде шторки-короба с подъемным винтовым штоком конструкции «Кировводпроект». Шлюз вмонтирован в бетонный каркас, примыкающий к железобетонному трубопереезду. В результате был установлен коэффициент полезного действия шлюза, т.е. определена фактическая, отличающаяся от расчетной, производственная территория распространения полезного влияния зашлюзованного канала. Она составляет 50-60% от всей площади. Установлено время полной гидростатической стабильности водного режима в результате манипуляций со шлюзом в различные периоды года. После закрытия шлюза в летний период она наступает на 9-10-й день, в осенний - на 4-6-й день. Выявлена причинно-следственная связь атмосферных осадков и динамики грунтовых вод в зависимости от глубины их залегания. Установлена степень влияния уровня грунтовых вод на величину урожайности однолетних и многолетних кормовых культур. Материалы исследования могут быть использованы при расчетах и подготовке проектно-сметной документации двустороннего регулирования водного режима торфяных и выработанных почв южно-таежной подзоны Северо-Востока европейской территории России.
Ключевые слова: выработанные торфяники, водный режим, шлюз, уровень грунтовых вод, осадки, рельеф поверхности
Одной из особенностей выработанных торфяников является разная степень сработки торфа. Его остаточная мощность на опытном участке варьирует от 0 до 1 м, что в свою очередь влияет на водно-воздушный и тепловой режим всего почвенного профиля [1]. Кроме того, для выработанных торфяников характерно такое явление, как вертикальная пестрота - частая смена контрастных по своему происхождению и свойствам генетических горизонтов на сравнительно небольшой, верхней части профиля [2]. Эта пестрота в свою очередь также влияет на все почвенные режимы, протекающие в почве, а также на ряд других агрофизических, морфологических и биологических параметров. Неоднородность профиля приводит к проблеме регулирования режимов и создания оптимальных условий на всей производственной площади кормового севооборота [3]. Кроме того, на пестроту выработанных торфяников накладывается существенная невыровнен-ность рельефа полей. Так, на участке протяженностью 800 метров уклон поверхности составляет почти 3 м. Несмотря на то,
что одной из проблем ведения сельского хозяйства на выработанных торфяниках является нехватка минеральных удобрений, режим питания здесь все же контролируется достаточно хорошо. Сложнее дело обстоит с водным и тепловым режимами. Ведение сельского хозяйства на выработанных торфяниках в условиях неконтролируемого водного режима ведет к снижению потенциала этих земель и в большей степени подвержено негативному влиянию засушливых и переувлажненных периодов [4].
Цель исследований - установить возможность управления водным режимом выработанных торфяников путем шлюзования каналов при возделывании однолетних и многолетних кормовых культур.
Материал и методы. Опытный участок находится в 30 км к юго-западу от г. Кирова на территории выработанной части торфомассива «Гадовское», расположенного на левобережных надпойменных террасах р. Быстрица. Остаточная залежь торфа подстилается среднезернистыми песками мощностью от 30 до 100 см, которые в свою
очередь подстилаются красно-коричневыми мергелизированными карбонатными суглинками. В силу того, что выработки относятся к гидроморфным почвам, имеется техническая возможность двустороннего регулирования водного режима посредством шлюзования [5]. Режим водного питания ослабленный, грунтово-напорный. Глубина залегания грунтовых вод на опытном участке, который включает в себя 6 полей кормового севооборота, варьирует от 40 до 200 см. Шлюз расположен на пересечении двух магистральных каналов.
В закрытом положении шлюза уровень воды в канале поднимается на высоту 80-100 см в течение 5-10 дней в зависимости от времени года. Для того чтобы отследить механизм влияния канала на уровень грунтовых вод (УГВ) на полях, нами было оборудовано более 80 смотровых скважин с интервалом 10 м, 50 и 100 м. Все они образуют 6 створов, расположенных по всей длине полей.
Для наблюдения за урожайностью на двенадцати скважинах были оборудованы контрольные точки в зависимости от степени влияния шлюза на УГВ. Степень регулирования выражается в среднем диапазоне грунтовых вод в период вегетации при манипуляциях со шлюзом. Учет урожайности проводили как на опытном участке (укосным методом на оборудованных делянках
площадью 25 м2 в четырехкратной повтор-ности), так и в производственных условиях.
Результаты и их обсуждение.
Водный режим. Подъем воды в канале происходил в период с 21.05.2014 по 29.05.2014 и на момент контрольного замера достиг максимума. Результаты наблюдений показали, что влияние канала на УГВ в поле ослабевает по мере удаления от него (рис. 1).
Уклон некоторых полей не позволяет распространиться влиянию канала дальше, чем на 100-150 метров, оставляя большую часть поля бесконтрольной, водный режим которой остается нерегулируемым. УГВ здесь может достигать 200 см и больше. Одновременно с этим поднятие воды в канале способствует поверхностному затоплению некоторых площадей опытного участка. Установлено, что доля полностью затопленной территории составляет не более 1% от всех производственных площадей. Хотя затопление и создает некоторые неудобства в обработке земли и при уборке урожая, оно все же менее губительно для культур, чем формирование засушливого водного режима с глубиной залегания грунтовых вод более 200 см [4]. Фактическая зона, подверженная влиянию канала, варьирует в пределах 50-60%. На более выровненных участках шлюзование могло бы иметь гораздо большую эффективность.
Рис. 1. Зона влияния канала: ♦ - скважина; 10-800 - удаленность скважины от канала, м; Величина подъема УГВ в смотровых скважинах, см: Н - 61-71; Ш - 50-60; ЕЕ - 39-49; 28-38;
Ш - 17-27; ЕВ - 6-16; Н - 0-5; И- уровень упал
Для определения оперативности работы шлюза, после его открытия или закрытия, проводили ежедневные замеры уровня воды в канале и УГВ на полях. Полная гидростатическая стабильность, то есть установление постоянного уровня, достигается тогда, когда уровень воды в канале и УГВ на полях стабилизируются. Момент стабилизации фиксируется на опытном участке посредством смотровых скважин. Чем дальше скважина от канала, тем позднее по времени в ней стабилизируется УГВ и тем слабее влияние на нее канала.
Распространение влаги от канала происходит волнообразно (рис. 2, а, б, в). Поэтому в скважинах, расположенных возле канала, УГВ сначала повышается (рис. 2,б), а затем падает (рис. 2,в). Также происходит на протяжении всего поля до полной стабилизации УГВ. Результаты наблюдений показали, что гидростатическая стабильность при закрытом шлюзе в летний период достигается за 9-11 дней, в осенний период за 4-6 дней. Выпадение обильных осадков может ускорить этот процесс на несколько дней. Более оперативное осеннее водонакопление связано, прежде всего, с тем, что осенью влага из почвы почти не расходуется на транспирацию растениями, и в почве ее много. К тому же частые осадки в осенний период хорошо промачивают почвенный профиль и поддерживают его высокую влажность, что ускоряет процесс водообмена канала и полей опытного участка, а также позволяет влаге осадков быстрее поступать в грунтовые воды, способствуя водонакопле-нию. Гидростатическое равновесие при открытом шлюзе в отсутствие осадков наступает на 4-5-ый день в независимости от сезона. Однако выпадение обильных осадков может не просто замедлить процесс, но и повернуть его в обратную сторону. Чем дальше скважина находится от канала, тем слабее дренирующее или увлажняющее действие оказывает на нее канал, и тем сильнее в этом влиянии доля осадков.
Поскольку поверхность выработок неровная и добиться везде одинакового уровня грунтовых вод не представляется возможным, большая роль в формировании водного режима отводится осадкам. В местах, где УГВ находится на глубине 2-х и более мет-
ров, осадки вместе с зимне-весенними почвенными запасами становятся единственным источником влаги для растений. Кроме того, осадки являются также и фактором, влияющим на оперативность работы шлюза, ускоряя его наполнение и замедляя сброс воды, поэтому возникает необходимость изучения характера влияния осадков на динамику грунтовых вод в зависимости от степени осушения.
Рис. 2. Схема движения воды от канала по профилю поля: 1 - поверхность поля;
2 - уровень воды в канале; 3 - УГВ на поле;
4 - волна
Наблюдения проводили в двух вариантах: поля с однолетними и многолетними культурами. В каждом из вариантов скважины были разбиты на 5 групп по среднему залеганию грунтовых вод: 1 - до 60 см; 2 - 61-80 см; 3 - 81-100; 4 - свыше 100; 5 - свыше 100 см у канала.
В период наблюдения с 21.08.2013 по 10.09.2013 проводили ежедневные замеры УГВ во всех скважинах, одновременно проводился замер атмосферных осадков. Был выбран период с достаточно обильными и частыми дождями. В течение первых 11 дней шлюз был закрыт, а в последующие 10 дней открыт (рис. 3-4).
В результате наиболее резкие колебания УГВ, в связи с выпадением осадков, наблюдались на участке с многолетними травами в 1 -ой группе скважин со средним залеганием грунтовых вод менее 60 см (рис. 3). Наименее заметные колебания были в 5-ой группе, со средним УГВ свыше 100 см у канала, что объясняется более сильным влиянием на скважины дренирующих свойств канала, который оперативно гасит скачки УГВ, вызванные выпадением осадков.
-10 10 30
| 50
£ 70
(-Н
^ 90 110 130 150
Группа
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
. г - V - V . V е_'г , V л V „ Чг _ V . "г , СГ „ СГ „ СГ . СГ , СГ , СГ . СГ СГ „СГ _СГ г,
«£>' <$>' Дата
Рис. 3. Динамика УГВ на фоне выпадения осадков (мн. травы 2013 г.).
0
15
30
45
2 60 и
« 75 £ 90 105 120 135 150
Группа ...... 2
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ . Чг _ ЧГ - V ,(г , . Чг „ "¡Р _ V _ Чг . 1Г . О„ О„ СГ . СГ , СГ , Сг . СГ „ Сг _ Сг _ СГ
Ч>' <£' ч!3' -Ъ4' о"5' ¿V <$>• «¿У
Рис. 4. Динамика УГВ на фоне выпадения осадков (ячмень 2013 г.).
На участке с ячменем (рис. 4) наиболее Однако несмотря на то, что колебания
резкие колебания наблюдали во 2-ой и 3-ей в 1-ой группе на участке с ячменем менее
группах со средним УГВ 61-80 и 81-100 со- резкие, чем во 2-ой и 3-ей группах, они бо-
ответственно, а в 1-ой и 5-ой группах коле- лее частые и сильнее реагировали даже на
бания были наименьшими. незначительное выпадение осадков. Это ве-
роятно связано с тем, что более легкий гранулометрический состав подстилающей породы на участке с ячменем способствует более быстрому пропусканию через себя влаги осадков, чем суглинистый на участке с многолетними травами, тем самым обеспечивая быстрое соединение капиллярно-подвешенной влаги с капиллярно-подпертой. Поэтому влага, не задерживаясь на поверхности, сразу стекает вниз по профилю, обуславливая резкие колебания грунтовых вод на глубине 60-100 см. Тогда, как особенность водно-физических свойств подстилающей породы, на участке с многолетними травами не позволяет осадкам так быстро передвигаться по профилю, соединяясь с грунтовыми водами. Значительная часть влаги осадков зависает в профиле, не доходя до зеркала грунтовых вод. Из этого следует, что все резкие колебания грунтовых вод, вызванные выпадением осадков, здесь происходят преимущественно в местах с наиболее высоким залеганием грунтовых вод (до 60 см).
Из данных рисунков также видно, что разовые осадки в пределах 5-10 мм не оказывают влияния на колебания грунтовых вод. И лишь осадки свыше 10-15 мм в сутки, продолжающиеся несколько дней подряд, способны существенно повлиять на поднятие грунтовых вод. В нашем случае за период с 1 по 5 сентября выпало 89,1 мм осадков, что является для нашего региона почти месячной нормой. Очевидно, что выпадение такого количества осадков не может не сказаться на динамике грунтовых вод.
Урожайность. Показатели урожайности кормовых культур, полученные на опытном участке на хорошо- и слаборегули-руемом фоне соответственно: ячмень - 35,0 и 19,0 ц/га семян, овес - 38,0 и 37,0 ц/га семян, многолетние травы - 24,7 и 45,0 ц/га сухой массы, лядвенец рогатый - 7,2 и 6,2 ц/га сухой массы. Урожайность кормовых культур в производстве на хорошо- и слаборегулируемом фоне соответственно: ячмень - 26,0 и 20,3 ц/га семян, овес - 33,2 и 30,4 ц/га семян, многолетние травы - 35,7 и 21,8 ц/га сухой массы.
Выводы.
1. Установлена техническая возможность оперативно управлять водным режимом выработанных торфяников путем шлю-
зования. Однако из-за невыровненности рельефа и огромной почвенной пестроты реальная территория полезного влияния за-шлюзованного канала составляет всего 5060%; около 1-2% может быть подвержено временному затоплению; значительная часть площади (40-45%) остается неподконтрольной влиянию шлюза.
2. Полная гидростатическая стабильность водного режима после закрытия шлюза достигается в летний период за 9-11 дней, в осенний период за 4-6 дней. После открытия шлюза этот период составляет 4-5 дней.
3. На оперативность работы шлюза существенное влияние оказывают атмосферные осадки. Выявлена следующая зависимость: чем выше естественный уровень грунтовых вод, тем активнее и быстрее он реагирует на поступающую влагу осадков. При УГВ 20-30 см и выше в результате смыкания капиллярно-подпертой и капиллярно-подвешенной влаги при разовом выпадении 10-15 мм осадков почвенная влага может выйти на поверхность почвы. На локальных участках, где УГВ не поднимается выше 150-200 см, атмосферные осадки являются основным источником влаги для кормовых культур.
4. Наибольшую урожайность ячмень, выращиваемый на зерно, дает на участках с хорошо регулируемым водным режимом. Овес на уровень регулируемости водного режима отзывается в меньшей степени. Многолетние злаковые травы, выращиваемые на опытных полях, наибольшую урожайность обеспечивали на слабо- и нерегулируемых участках. В производственных условиях, наоборот, максимальный урожай был получен на участках с достаточно управляемым водным режимом. По урожайности лядвенца рогатого первого года жизни значительной разницы между разнорегули-руемыми участками не выявлено.
Список литературы
1. Уланов А.Н. Характеристика объектов, условия и методы исследований // Торфяные и выработанные почвы южной тайги Евро-Северо-Востока России. - Киров, 2005. С. 13.
2. Уланов А.Н. Морфологические свойства и эволюция почвенного покрова // Торфяные
и выработанные почвы южной тайги Евро-Северо-Востока России. - Киров, 2005. С. 128.
3. Алексеева Ю.С., Климко А.И. Рекомендации по осушению и залужению выработанных торфяников. Л., 1976. 21 с.
4. Мишук Е.М. Продуктивность многолетних злаковых трав на выработанных тор-
фяных массивах с неуправляемым водным режимом // Мелиорация и луговодство на пойменных землях. Минск, 1996. С. 138-144.
5. Игнатенок Ф.В. Системы двустороннего действия // Закрытый дренаж почв. Киров, 1955. С. 43-45.
Effectiveness of regulation of water regime of depleted peatlands by locking of channels
Ulanov N.A., post-graduate
Vyatka SState Agricultural Academy, Kirov, Russia
There are several different forms of water regulation in agro-ecosystems. Among them is irrigation, i.e. supply of water from the top or the rise of groundwater from below into the zone of a root system. Advantage of hydromorphic soils, including peatlands, is in close proximity of the weak mineralized water-bearing horizon to the upper part of the profile. This fact greatly simplifies the optimization problem of water supply of peatlands under the second scenario. The aim of this research is to study the technical ability to manage the water regime of peatlands through floodgates regulators. As a mechanism that overrides the surface wastes and ground waters steel semi-floodgate as a curtain-box with lifting screw rod constructed by "KirovWaterProject" was used. The floodgate is built in concrete frame which adjacent to the reinforced concrete pipeline. As a result the floodgate's coefficient of efficiency was defined i.e the actual production area of spreading of beneficial effect of the lock channel which differs from designed was determined. It consist 50... 60% of the total area. Time period of establishing of full hydrostatic stability of the water regime was defined as a result of manipulation by the floodgate at different periods of the year. After the closure of the floodgate in the summer it is treads for 9. 10th day, in autumn - for 4.6th day. A causal relationship of precipitation and groundwater dynamics depending on the depth of their bedding was detected. Degree of influence of groundwater level on a value of yield of annual and perennial forage crops was defined. Materials of research can be used in the calculation and preparation of construction documents of bilateral regulation of the water regime of peatlands and depleted peatlands of the southern taiga subzone of the North-East of European Russia.
Key words: depleted peatlands, water regime, floodgate, ground water level, precipitation, surface topography
References
1. Ulanov A.N. Kharakteristika ob"ektov, usloviya i metody issledovaniy. [Characteristics of objects, conditions and methods of research]. Torfyanye i vyrabotannye pochvy yuzhnoy taygi Evro-Severo-Vostoka Rossii. [Peat and depleted soils of the southern taiga of Euro-North-East of Russia]. Kirov, 2005. P. 13.
2. Ulanov A.N. Morfologicheskie svoystva i evolyutsiya pochvennogo pokrova. [Morphological features and evolution of soil cover.]. Torfyanye i vyrabotannye pochvy yuzhnoy taygi Evro-Severo-Vostoka Rossii. [Peat and depleted soils of the southern taiga of Euro-NorthEast of Russia]. Kirov, 2005. P. 128.
3. Alekseeva Yu.S., Klimko A.I. Reko-mendatsii po osusheniyu i zaluzheniyu vyrabo-tannykh torfyanikov. [Recommendations for draining and grassing of depleted peatlands]. Leningrad, 1976. 21 p.
4. Mishuk E.M. Produktivnost' mno-goletnikh zlakovykh trav na vyrabotannykh torfyanykh massivakh s neupravlyaemym vodnym rezhimom. [Productivity of perennial grasses in depleted peat lands with unmanaged water regime] . Melioratsiya i lugovodstvo na poymennykh zemlyakh. [Land Reclamation and Grassland on the floodplain lands]. Minsk, 1996. pp. 138-144.
5. Ignatenok F.V. Sistemy dvustoronnego deystviya. [Double-acting systems]. Zakrytyy drenazh pochv. [Closed drainage of soils]. Kirov, 1955. pp. 43-45.
